第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計

1第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計2第一章

創(chuàng)新概論第二章創(chuàng)新思維與創(chuàng)造原理第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計第四章機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計第五章機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計第六章反求工程及創(chuàng)新設(shè)計第七章TRIZ理論與創(chuàng)新設(shè)計第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計第九章機械創(chuàng)新設(shè)計實例第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計

仿生與創(chuàng)新密切相關(guān)。通過研究自然界生物的結(jié)構(gòu)特性、運動特性與力學特性，設(shè)計出模仿生物特性的新材料或新裝置，是創(chuàng)新設(shè)計的重要內(nèi)容，其創(chuàng)新成果也非常豐碩。第一節(jié)仿生學與仿生機械學簡述仿生學(Bionics)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并以此為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學。仿生學是生命科學、物質(zhì)科學、信息科學、腦與認知科學、工程技術(shù)、數(shù)學與力學以及系統(tǒng)科學等學科的交叉學科，是模仿生物的結(jié)構(gòu)和功能的基本原理，將其模式化，再運用于新技術(shù)設(shè)備的設(shè)計與制造，使人造技術(shù)系統(tǒng)具有類似生物系統(tǒng)特征的科學。3仿生學與機械學相互交叉、滲透，形成了仿生機械學。仿生機械學主要是從機械學的角度出發(fā)，研究生物體的結(jié)構(gòu)、運動與力學特性，然后設(shè)計出類生物體的機械裝置的學科。當前，仿生機械學的主要研究內(nèi)容有擬人型機械手、步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的機械結(jié)構(gòu)、運動學與動力學設(shè)計與控制等問題。4一、仿生學簡介仿生學研究方法的突出特點就是廣泛運用類比、模擬和模型方法，理解生物系統(tǒng)的工作原理，中心目的是實現(xiàn)特定功能。仿生學研究中存在三個相關(guān)的方面，即生物原型、數(shù)學模型和硬件模型。(1)機械仿生

研究動物體的運動機理，模仿動物的地面走和跑、地下的行進、墻面上的行進、空中的飛、水中的游等運動，運用機械設(shè)計方法研制各種運動裝置。(2)力學仿生研究并模仿生物體總體結(jié)構(gòu)與精細結(jié)構(gòu)的靜力學性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對運動和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質(zhì)。例如，模仿貝殼建造的大跨度薄膜建筑、模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱、軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行湍流，提高航速。

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(3)分子仿生模仿動物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)的高級中樞的智能活動、生物體中的信息處理過程、感覺器官、細胞之間的通信、動物之間的通信等，研制人工神經(jīng)元電子模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高級智能機器人、電子蛙眼、鴿眼雷達系統(tǒng)以及模仿蒼蠅嗅覺系統(tǒng)的高級靈敏小型氣體分析儀等。例如根據(jù)象鼻蟲視動反應(yīng)制成的“自相關(guān)測速儀”，可測定飛機著陸速度。(4)化學仿生模仿光合作用、生物合成、生物發(fā)電、生物發(fā)光等。例如，利用研究生物中的酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子，或其類似物的分析和合成，研制了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用極少的量，便可誘殺一種雄蛾蟲。6

(5)信息與控制仿生模仿動物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)調(diào)控、肢體運動控制、定向與導(dǎo)航等。例如，研究蝙蝠和海豚的超聲波回聲定位系統(tǒng)、蜜蜂的“天然羅盤”、鳥類和海龜?shù)葎游锏男窍髮?dǎo)航、電磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航，可為無人駕駛的機械裝置在運動過程中指明方向。7二、仿生機械學簡介

隨著機械仿生在仿生學中的快速發(fā)展，逐漸形成了一個專門研究仿生機械的學科，成為仿生機械學。它是20世紀60年代末期由生物力學、醫(yī)學、機械工程、控制論和電子技術(shù)等學科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學科。通過研究、模擬生物系統(tǒng)的信息處理、運動機能以及系統(tǒng)控制，并通過機械工程方法論將其實用化，從而應(yīng)用于醫(yī)學、國防、電子、工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。仿生機械(bio-simulationmachinery)，是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。仿生機械學研究的領(lǐng)域主要有生物力學、控制體和機器人。8生物力學研究生命的力學現(xiàn)象和規(guī)律，包括生物體材料力學、生物體機械力學和生物體流體力學；控制體是根據(jù)從生物了解到的知識建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)，如機電假手等；機器人則是用計算機控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。仿生機器人是仿生機械學中一個最為典型的應(yīng)用實例，其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機械學的發(fā)展水平。

日本東京大學在1972年研究出世界上第一個蛇形機器人，速度可達40cm/s；日本本田技術(shù)研究所于1996年研制出世界上第一臺仿人步行機器人，可行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越一定高度的障礙；美國卡內(nèi)基梅隆大學1999年研制的仿袋鼠機器人采用纖維合成物作為弓腿，被動跳躍時的能量僅損失20%~30%，最大奔跑速度超過1m/s等等。9獵豹機器人由美國波士頓動力公司開發(fā)，這款機器人高2英尺，長3英尺，裝配著一系列高科技裝備，其中包括：激光陀螺儀、照相機和隨載計算機。這款四腿機械獵豹機器人具有靈活的脊椎和鉸接式頭部，能夠?qū)崿F(xiàn)沖刺、急轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止。它的奔跑速度能超過人類以及終結(jié)者類型的機器人，達29mph。最終這款機器人將服役于美國軍隊。

獵豹機器人10獵豹機器人11我國對仿生機器人的研究始于20世紀90年代，在仿生機器人方面也取得了很多成果，而且有些仿生機器人在某些方面達到了國外先進水平。北京理工大學2002年研制出擬人機器人，具有自律性，可實現(xiàn)獨立行走和太極拳表演等功能；北京航空航天大學和中國科學院自動化所于2004年研制出我國第一條可用于實際用途的仿生機器魚，其身長1.23m，采用GPS導(dǎo)航，最高時速可達1.5/m，能在水下持續(xù)工作2~3小時；南京航空航天大學2004年研制出我國第一架能在空中懸浮飛行的空中仿生機器人—撲翼飛行器；哈爾濱工業(yè)大學2001年研制的仿人多靈巧手具有12個自由度和96個傳感器，可完成戰(zhàn)場探雷、排雷以及檢修核工業(yè)設(shè)備等危險作業(yè)。12三、仿生機械學中的注意事項仿生機械是建立在對模仿生物體的解剖基礎(chǔ)上，了解其具體結(jié)構(gòu)，用高速影像系統(tǒng)記錄與分析其運動情況，然后運用機械學的設(shè)計與分析方法，完成仿生機械的設(shè)計過程，是多學科知識的交叉與運用。

生物的結(jié)構(gòu)與運動性，只是人們開展仿生創(chuàng)新活動的啟示，不能采取照搬式的機械仿生。

注重功能目標，力求結(jié)構(gòu)簡單。

仿生結(jié)果具有多值性，要選擇結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉、使用壽命長、制造維護方便的仿生機構(gòu)方案。

仿生設(shè)計的過程也是創(chuàng)新的過程，要注意形象思維與抽象思維的結(jié)合，注意打破思維定勢并運用發(fā)散思維解決問題的能力。13第二節(jié)仿生機械手

人手臂示意圖仿生機械手不僅是執(zhí)行命令的機構(gòu)，還應(yīng)該具有識別的功能，即通常所說的“觸覺”。仿生機械手一般由手掌和手指組成。在手掌和手指上裝有多種傳感器。對物體的軟、硬、冷、熱等的感覺靠傳感器識別，并將所獲得的信息反饋到計算機里，以調(diào)節(jié)動作。14一、仿生機械手的機構(gòu)組成

1.仿生機械手機構(gòu)的運動副及自由度仿生機械手的機構(gòu)一般為開鏈機構(gòu)，由若干構(gòu)件組成。在仿生機械手中，由于各運動副中的運動變量都要借助于各種驅(qū)動器來實現(xiàn)，而無論是轉(zhuǎn)動的或移動的驅(qū)動器均為一個自由度，所以在仿生機械手中常用轉(zhuǎn)動副和移動副，個別運動副有時也可采用球面副。從仿生的觀點出發(fā)，機械手、機器人較多地采用了空間開式運動鏈的機構(gòu)。肩關(guān)節(jié)人體上肢骨骼機構(gòu)圖S手掌橈骨尺骨肱骨RSGS

SRS

R15

2.仿生機械手機構(gòu)自由度空間機構(gòu)自由度計算公式人的手臂可以認為是一種由許多構(gòu)件組成的開式運動鏈。人的手臂機構(gòu)中，n19，pI0，pII1，pIII2，pIV6，pV11

F619(213246511)27手指部分的自由度為

F615(45510)20肩關(guān)節(jié)人體上肢骨骼機構(gòu)圖S手掌橈骨尺骨肱骨RSGS

SRS

R16二、仿生機械手實例瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學院推出的世界上首個帶觸覺的機械手。這款仿生手臂通過電極與人體神經(jīng)相連接，使大腦獲得來自手的觸感。在通過一段時間的訓練后，人們還可以控制這個機械手的把握力度，實現(xiàn)與真實手臂相近的功能。17二、仿生機械手實例

這款仿生機械手比它的上一代產(chǎn)品更具流線型，外觀也更逼真自然，有兩種尺寸可選，還配有藍牙功能，方便醫(yī)師及用戶進行設(shè)置。產(chǎn)品名稱Pulse源于其采用的一項“脈沖技術(shù)”，該技術(shù)可顯著提高機械手的抓握力，使其能夠提起重達90公斤的物體，這個重量是腕關(guān)節(jié)孱弱的現(xiàn)代人不敢想象的。18二、仿生機械手實例

英國shadow機器人公司的靈巧機械手，這可能是目前世界上最靈巧的機械手。這種仿生手的大拇指和其它幾個手指可以象人的手指一樣轉(zhuǎn)動和抓握，可通過患者的思維和肌肉來控制。這一技術(shù)已經(jīng)在無數(shù)人身上試驗過，包括在伊拉克戰(zhàn)爭中失去手臂的美國士兵。它是第一款投放市場的真正擁有可彎曲手指(就像你自己的手一樣)的仿生假手。19為實現(xiàn)骨骼－肌肉的部分功能而研制的致動裝置稱為人工肌肉致動器。為更好地模擬生物體的運動功能或在機器人上的應(yīng)用，已研制出了多種人工肌肉。人工肌肉構(gòu)造圖20

氣動人工肌肉是一種體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡單、容易控制的仿生學產(chǎn)品，它由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動，作推拉動作，其過程就像人體的肌肉運動。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小，最小的氣動人工肌肉重量只有10g。氣動人工肌肉會在達到推拉極限時自動制動，不會突破預(yù)定的范圍。多個氣動人工肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。21仿生機械手22仿生機械手23第三節(jié)步行與仿生機構(gòu)的設(shè)計據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛到達，而很多足式動物卻可以在這些地面上行走自如。

啟示有足運動具有其他地面運動方式所不具備的獨特優(yōu)越性能。一、有足動物腿部結(jié)構(gòu)分析有足運動具有較好的機動性，其立足點是離散的，對不平地面有較強的適應(yīng)能力，可以在可能到達的地面上最優(yōu)地選擇支撐點，有足運動方式可以通過松軟地面(如沼澤、沙漠等)以及跨越較大的障礙(如溝、坎和臺階等)。其次，有足運動可以主動隔振，即允許機身運動軌跡與足運動軌跡解耦。盡管路面高低不平，機身運動仍可以做到相當平穩(wěn)。第三，有足運動在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，而能耗較少。24落地相抬腿相足端軌跡φ1φ2人的步行狀態(tài)φ1φ2鳥類的步行狀態(tài)在研究有足動物時，觀察與分析腿的結(jié)構(gòu)與步態(tài)非常重要。如人的膝關(guān)節(jié)運動時，小腿相對大腿是向后彎曲的；而鳥類的腿部則與人類相反，小腿相對大腿是向前彎曲的。25

四足動物的前腿運動小腿相對大腿是向后彎曲的，而后腿則是小腿相對大腿向前彎曲的。四足動物在行走時一般三足著地，跑動時則三足著地、二足著地和單足著地交替進行，處于瞬時的平衡狀態(tài)。四足動物的腿部結(jié)構(gòu)示意圖26兩足動物和四足動物的腿部結(jié)構(gòu)大多采用簡單的開鏈結(jié)構(gòu)，多足動物的腿部結(jié)構(gòu)可以采用開鏈結(jié)構(gòu)，也可以采用閉鏈結(jié)構(gòu)。開鏈機構(gòu)的多足動物的仿生腿27

二、擬人型步行機器人擬人型步行機器人具有類似于人類的基本外貌特征和步行運動功能，其靈活性高，可在一定環(huán)境中自主運動，并與人進行一定程度的交流，更適合協(xié)同人類的生活和工作，與其他方式的機器人相比，擬人型機器人在機器人研究中占有特殊地位。

1.擬人型步行機器人的仿生機構(gòu)擬人型機器人是一種空間開鏈機構(gòu)，實現(xiàn)擬人行走使得這個結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，需要各個關(guān)節(jié)之間的配合和協(xié)調(diào)。28

從仿生學角度來看，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩最小條件的兩足步行結(jié)構(gòu)的自由度配置如下表所示。

部位考慮因素自由度數(shù)在不平的表面上站立腳板在不規(guī)則表面著地方便上下臺階改變行走方向髖關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)21121兩足步行結(jié)構(gòu)的自由度配置

從功能上考慮，一個比較完善的腿部自由度配置是每條腿上應(yīng)該具備7個自由度。

29xyz擬人機器人腿部的理想自由度從國內(nèi)外研究的較為成熟的擬人型步行機器人來看，幾乎所有的擬人型步行機器人腿部的自由度都選擇了6自由度的方式，其分配方式為髖部3個自由度，膝關(guān)節(jié)1個自由度，踝關(guān)節(jié)2個自由度。由于踝關(guān)節(jié)缺少了1個自由度，當機器人行走中進行轉(zhuǎn)彎時，只能依靠大腿與上身連接處的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。30

2.擬人型仿生步行機器人實例本田技研公司研制的步行機器人樣機P3，具有與人類相同的體型，能夠行走并上下樓梯。本田公司開發(fā)的這一機器人首次實現(xiàn)了一向被認為是難題的雙足穩(wěn)定行走。步行機器人樣機P331

2.擬人型仿生步行機器人實例

ASIMO(AdvancedStepInnovativeMobility)是本田公司開發(fā)的目前世界上最先進的、具有人一樣的極高移動能力和高智能的類人型機器人。ASIMO可以行走自如，進行諸如“8”字形行走、上下臺階、彎腰等各項“復(fù)雜”動作；可以隨著音樂翩翩起舞，并能以每小時9公里的速度奔跑，ASIMO還能與人類互動協(xié)作進行握手、猜拳等動作。步行機器人樣機ASIMO32ASIMO33“先行者”人形機器人

2.擬人型仿生步行機器人實例

2000年11月29日，國防科技大學經(jīng)過十年攻關(guān)，成功研制出我國第一臺擬人型機器人－“先行者”。“先行者”身高1.4米，體重20公斤，有人一樣的身軀、頭顱、眼睛、雙臂和雙足，有一定的語言功能，可以動態(tài)步行。這臺類人型機器人實現(xiàn)了多項關(guān)鍵性技術(shù)的突破：從只能平地靜態(tài)步行，到快速自如的動態(tài)行走；從只能在已知環(huán)境中行走，到可在小偏差、不確定的環(huán)境中行走；行走頻率也由每6秒1步，提高到每秒2步。34擬人型機器人是多門基礎(chǔ)學科、多項高技術(shù)的集成，代表了機器人的尖端技術(shù)。擬人型機器人是當代科技的研究熱點之一。擬人型機器人不僅是一個國家高科技綜合水平的重要標志，也在人類生產(chǎn)、生活中有著廣泛的用途。35Handle(足＋輪式機器人)36

難點一

柔性控制

Handle的足部關(guān)節(jié)不論是在面臨突然出現(xiàn)的斜坡還是承受落地的沖擊時都表現(xiàn)出了很好的柔性，這對系統(tǒng)穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。如果關(guān)節(jié)使用簡單的位置或速度控制，機器人在高速遇到未知的接觸面時會瞬時產(chǎn)生巨大的沖擊力，不僅難以控制，甚至容易損壞機器人本體。

難點二

大擾度下的非線性系統(tǒng)控制

為了承受如此大的外部擾動，用傳統(tǒng)的簡單線性倒立擺建模是顯然不夠的，機器人需要動用全身所有的關(guān)節(jié)，所有的運動資源來維持平衡。比如我們可以注意到Handle轉(zhuǎn)彎時并不是簡單地讓輪子差速轉(zhuǎn)動，而是像溜旱冰一樣加入了身體的自然側(cè)傾。再比如跳上桌子瞬時的手臂擺動。這樣的一個機器人的全身動力學模型是高度非線性的，其實時平衡控制解算本身就是一個挑戰(zhàn)，更不要說需要考慮在大量擾動/不確定性存在時的穩(wěn)定性了。37

難點三

混合控制

只用一個連續(xù)模型是沒法做”跳躍“這種動作的。機器人同時擁有連續(xù)(關(guān)節(jié)角度、速度)和離散(與地面的接觸面位置、數(shù)目)的狀態(tài)，這屬于混合控制“HybridControl”的研究范疇。甚至視頻中“雙手舉起100磅重物”這個任務(wù)，也需要把重物作為模型的一部分來做控制。

HybridControl這個學科本身就還不是很成熟(相對于其他多數(shù)控制理論而言)，對于Handle這種非線性混合系統(tǒng)，學術(shù)界的成果很多都還停留在“證明一個穩(wěn)定的控制器是否存在”這個層面，對于“給定問題如何設(shè)計一個控制器”，還并不是很完善。

難點四

硬件本身

官方介紹它身高1.98米，縱跳1.2m。Handle的輪子可以以14km/h的速度前進。整個機器人由電池供能，驅(qū)動電機和液壓泵。無需外接設(shè)備，一次充電續(xù)航24km。38波士頓動力公司最新機器人39三、多足步行仿生機器人

1.多足仿生步行機器人機構(gòu)多足仿生一般是指四足、六足、八足的仿生步行機器人機構(gòu)，常用的是六足仿生步行機器人。四足步行機器人在行走時，一般要保證三足著地，且其重心必須在三足著地的三角形平面內(nèi)部才能使機體穩(wěn)定，故行走速度較慢。多足步行仿生是指模仿具有四足以上的動物運動情況的設(shè)計問題。多足仿生步行機器人機構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。在進行多足步行機器人機構(gòu)設(shè)計之前，對生物原型的觀察與測量是設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和必要環(huán)節(jié)。40根據(jù)對步行機器人足數(shù)與性能定性評價，同時考慮到機械結(jié)構(gòu)簡單性和控制系統(tǒng)簡單性，通過對螞蟻、蟑螂等昆蟲的觀察分析，發(fā)現(xiàn)昆蟲具有出色的行走能力，因此六足步行機器人得到廣泛應(yīng)用，以保證高速穩(wěn)定行走的能力和較大的負載能力。步行機器人腿的配置采用正向?qū)ΨQ分布。

多足步行機器人模型四足仿生步行機器人六足仿蟹步行機器人41六足步行機器人常見的步行方式是三角步態(tài)。三角步態(tài)中，六足機器人身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足共同組成支撐相或擺動相，處于同相三條腿的動作完全一致，即三條腿支撐，三條腿抬腿換步。抬起的每個腿從軀體上看是開鏈結(jié)構(gòu)，而同時著地的三條腿或六條腿與軀體構(gòu)成并聯(lián)多閉鏈多自由度機構(gòu)。六足步行機器人的行走方式，從機構(gòu)學角度看就是3分支并聯(lián)機構(gòu)、6分支并聯(lián)機構(gòu)及串聯(lián)開鏈機構(gòu)之間不斷變化的復(fù)合機構(gòu)。42

2.多足步行仿生機器人實例自20世紀80年代麻省理工學院研制出第一批可以像動物跑和跳的機器人開始，各國都積極進行多足仿生機器人的研究，模仿對象有蜘蛛、蟋蟀、蟹、蟑螂、螞蟻等。目前，多足仿生步行機器人已出現(xiàn)于多個領(lǐng)域，特別是在軍事偵察領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。六足步行機器人43六足步行機器人44哈爾濱工程大學的仿生機器蟹45蜘蛛機器人46蜘蛛機器人47巨型六足機器人48蟑螂機器人49四足機器人LittleDog50四足機器人51猿猴機器人52沙地六足機器人53機器狗協(xié)同合作54第四節(jié)爬行與仿生機構(gòu)的設(shè)計仿生爬行機器人與傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動的機器人不同，采用類似生物的爬行機構(gòu)進行運動。這種運動方式使得機器人可以具有更好的與接觸面的附著能力和越障能力，在軍事偵察及民用高層建筑外墻壁清潔等領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。由于這類爬行機器人在機構(gòu)、驅(qū)動和控制方面的特殊要求，使得實際制作出的仿生爬行機器人很難達到預(yù)先的設(shè)計效果，目前爬機器人所具有的一系列潛在的優(yōu)越性能還沒有完全得到實際體現(xiàn)。一、仿生爬行機器人機構(gòu)爬行機構(gòu)的特點是多自由度、多關(guān)節(jié)的協(xié)同動作。由于關(guān)節(jié)自由度多、動力學模型復(fù)雜，實現(xiàn)穩(wěn)定的爬行運動比較困難，所以爬行仿生機構(gòu)在工程中的應(yīng)用很少。55在長期的進化和生存競爭中，許多動物，如壁虎、蜘蛛、蛇等，具有了優(yōu)異的在光滑或粗糙的各種表面上自如運動的能力，仿生爬行機器人的研究有廣闊的應(yīng)用前景。

(一)爬壁機器人爬壁機器人必須具有壁面吸附功能和移動功能。目前爬壁機器人的吸附方式主要有三種：真空吸附、磁吸附和推力吸附，近年來又出現(xiàn)了膠吸附、仿壁虎足的干吸附、仿蝸牛的濕吸附、類攀巖抓持和毛刺抓持等方式。移動功能則大多以輪式、履帶式和足式三種機構(gòu)來實現(xiàn)。

1.足－掌機構(gòu)爬壁機器人對腿足機構(gòu)的要求：腿機構(gòu)具有足夠的剛性和承載能力。腿機構(gòu)具有足夠大的工作空間。腿機構(gòu)足端的支撐相直線位移便于控制。

56在腿足機構(gòu)的端點連接吸掌以后，對掌機構(gòu)的要求主要有：掌的姿態(tài)可以調(diào)節(jié)控制，以便在地壁過渡行走時適應(yīng)壁面法線方向。調(diào)節(jié)掌機構(gòu)的驅(qū)動裝置盡可能安裝到機器人機體上。爬壁機器人在壁面上移動時，處于支撐相的掌與足端應(yīng)沒有限制轉(zhuǎn)動的強迫約束。

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2.吸附機構(gòu)吸附機構(gòu)由吸盤和真空發(fā)生器組成，吸盤安裝在吸盤支撐架上，吸盤支撐架和柔性驅(qū)動器之間通過連桿和彈簧相連，真空發(fā)生器的出氣口連在吸盤上端的進氣口。

爬壁機器人吸附機構(gòu)58隨著機器人運動，當一組吸盤完全接觸工作表面達到吸附狀態(tài)時，對應(yīng)的電磁閥打開，與之相連的真空發(fā)生器工作產(chǎn)生真空，吸盤吸附在工作表面上；反之，隨著機器人前進，當一組吸盤即將要離開平面時，對應(yīng)的電磁閥關(guān)閉，則吸盤的吸附力逐漸降到零，而可以脫離工作表面。在設(shè)計中，任何時刻都至少保證有3個吸盤同時吸附在工作表面上，以產(chǎn)生足夠的吸附力，防止機器人從墻壁上滑下或傾翻。爬壁機器人吸附機構(gòu)59機器人行動機構(gòu)由移動副和轉(zhuǎn)動副組成。機器人的攀爬運動由移動副來完成，當其處于平衡位置時，機器人可向前或向后各移動50mm。當一組吸盤吸附時，電機驅(qū)動齒條使另一組吸盤前進，到達預(yù)定位置時，兩組吸盤交換吸附，繼續(xù)完成下一步動作。

爬壁機器人吸附機構(gòu)60機器人在墻上或一定坡度的坡面上爬行時，吸附在工作平面上的吸盤連桿相當于一柔性懸臂梁，由于受重力作用會向下傾斜。這樣，當下一吸盤組切入吸附狀態(tài)時，吸盤連桿在工作面法線方向，將不能保證這組吸盤與已經(jīng)吸附的吸盤組相互平行的姿態(tài)。為了保證吸盤組在垂直于工作面進入吸附狀態(tài)，并能夠維持垂直(近似垂直)姿態(tài)，直到吸盤組脫離，需設(shè)計吸盤組導(dǎo)向裝置。

爬壁機器人吸附機構(gòu)61機器人的轉(zhuǎn)向運動由轉(zhuǎn)動副完成，基本動作與前行時類似。先讓機器人處于平衡狀態(tài)，當一組吸盤吸附時，另一組吸盤做轉(zhuǎn)向動作，兩組吸盤交替。待完成預(yù)期的轉(zhuǎn)向角度后，機器人回到平衡位置，等待下一步動作指令。為了越障，在吸盤的支撐架上設(shè)計了由絲桿和齒輪組成的升降機構(gòu)。工作時，絲桿能形成自鎖，保證了機器人的穩(wěn)定性。

爬壁機器人吸附機構(gòu)62爬壁機器人63爬壁機器人64爬壁機器人65爬壁機器人66

(二)仿生蛇形機器人機器蛇具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、可擴展性強等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如在有輻射、有粉塵、有毒環(huán)境下及戰(zhàn)場上執(zhí)行偵察任務(wù)；在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中尋找傷員；在狹小和危險環(huán)境中探測和疏通管道。傳統(tǒng)機器人的運動方式無外乎輪式、履帶式和足式三種，而蛇形機器人是一種新型的仿生機器人，它實現(xiàn)了像蛇一樣的“無肢運動”，是機器人運動方式的一個突破。因而被國際機器人業(yè)界稱為“最富于現(xiàn)實感的機器人”。

67勞斯萊斯和通用電氣公司的工程師們正在開發(fā)的一種專門用于發(fā)現(xiàn)并修復(fù)飛機引擎故障的蛇形機器人。這種機器蛇將在2014年7月問世，直徑只有大約半英寸。它們將被放入到引擎中，由一名技術(shù)員進行控制，技術(shù)員將根據(jù)它們發(fā)回的圖片引導(dǎo)它們進入到引擎內(nèi)部，整個過程有點像遠距離外科手術(shù)。

修復(fù)飛機引擎故障的蛇形機器人68國防科技大學研制成功的第一臺蛇形機器人，長1.2m，直徑0.06m，重1.8kg，能像生物蛇一樣扭動身軀，在地上或草叢中蜿蜒運動，可前進、后退、拐彎和加速，最大運動速度可達20m/min。頭部是機器蛇的控制中心，安裝有視頻監(jiān)視器，在其運動過程中可將前方景象傳輸?shù)胶蠓诫娔X中，科研人員可向機器蛇發(fā)出各種遙控指令。當這條機器蛇披上“蛇皮”外衣后，還能像真蛇一樣在水中游泳。國防科技大學的蛇形機器人69爬行仿生機器人二、爬行仿生機器人實例

70爬行仿生機器人二、爬行仿生機器人實例

71蛇形機器人72蛇形機器人73水陸兩用蛇形機器人74蛇形機器人－偵察搜索好幫手75蛇形機器人76蠕蟲機器人77第五節(jié)飛行與仿生機構(gòu)的設(shè)計昆蟲與鳥相比，具有更大的機動靈活性。對昆蟲生理結(jié)構(gòu)和飛行機理的研究，將仿制出具有更大飛行靈活性和自由度的新型飛行器－仿生飛行機器人。最近幾年，在昆蟲空氣動力學和機械電子技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，各國紛紛開始研究拍翅飛行的仿生飛行機器人，仿蒼蠅和蚊子的微型機器人已經(jīng)問世，使得仿生飛行機器人成為機器人研究活躍的前沿領(lǐng)域。一、仿生飛行機器人的翅膀昆蟲是整個動物界最早獲得飛行能力的動物。昆蟲飛行的能力和飛行技巧的多樣性，主要來源于它們翅膀的多樣性和微妙復(fù)雜的翅膀運動模式。

78

(一)以靜電致動方式的仿生撲翼

1.撲翼結(jié)構(gòu)通過肌肉的收縮與伸長使得胸腔發(fā)生變形，從而帶動兩側(cè)的翅膀上下?lián)鋭?，其中彈性胸腔機構(gòu)的變形對產(chǎn)生無摩擦的高速撲翼運動起著重要作用。

支點支點伸長翅膀上拍翅膀下拍伸長收縮收縮昆蟲胸腔的橫截面79大多數(shù)昆蟲的撲翼運動由神經(jīng)所產(chǎn)生的脈沖信號來控制，而一些小型昆蟲如蒼蠅、蜜蜂等，撲翼頻率要遠高于神經(jīng)的脈沖頻率，這時候撲翼頻率主要是由肌肉、彈性關(guān)節(jié)以及胸腔所組成的運動機構(gòu)的自然頻率決定。對于尺寸在毫米級的微撲翼飛行器，其撲翼機構(gòu)可以采用靜電致動、壓電驅(qū)動以及電磁驅(qū)動等方式。隨著尺寸的微小化，靜電換能顯示出其優(yōu)越性。靜電驅(qū)動工作原理簡單、易實現(xiàn)、功耗小、易集成化，隨著半導(dǎo)體微細加工技術(shù)的發(fā)展，為靜電致動器的研究提供了可能的技術(shù)背景，使靜電致動在微型致動器的研究開發(fā)中占據(jù)了突出位置。802.結(jié)構(gòu)設(shè)計整個驅(qū)動機構(gòu)的形式仿照昆蟲的胸腔式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主體由上下平行的兩塊極板組成，一塊固定在基體上，另一塊可移動板與兩邊的連桿相連接，并通過連桿帶動兩邊的翅膀上下?lián)鋭印Ｕ麄€機構(gòu)沒有軸承和轉(zhuǎn)軸之類的運動部件，各支點和連接處(A、B、C等處)均采用柔性鉸鏈連接。當在上下極板間加上交變電壓時，機翼就會在交變電場的作用下上下?lián)鋭印?/p>

AC兩自由度胸腔式撲翼驅(qū)動機構(gòu)簡圖B81

令激勵電壓的頻率等于驅(qū)動機構(gòu)的自然頻率，此時驅(qū)動機構(gòu)會有更大的撲翼幅值。當給極板兩邊加以不同的電壓時，兩邊的機翼就會產(chǎn)生不同的撲翼幅值，因而引起兩邊的升力及推力大小不同，使得整個飛行器轉(zhuǎn)向。

AC兩自由度胸腔式撲翼驅(qū)動機構(gòu)簡圖B82平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機構(gòu)分析(二)以分解簡化撲翼復(fù)雜運動方式的仿生撲翼

1.仿生撲翼機構(gòu)仿生飛行機器人以模仿昆蟲拍翅運動為主。昆蟲的種類很多，撲翼形式復(fù)雜多樣。在研究中，將昆蟲復(fù)雜的撲翼運動分解為平扇與翻轉(zhuǎn)兩個基本動作。83平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機構(gòu)分析

平扇運動改變翅膀的扇翅角

(下扇的起始位置與翅膀當前位置的夾角)，翻轉(zhuǎn)運動改變翅膀的翅攻角

(翅膀扇動方向與翼后緣指向翼前緣方向的夾角)，這兩個動作的協(xié)調(diào)運動可以實現(xiàn)昆蟲的自由飛行。以果蠅為例，它在懸停飛行時，

可以達到180，在平扇過程中翅保持勻速，并使

為45~50，可以獲得較大升力。84

在上扇與下扇的轉(zhuǎn)換過程中，翅膀迅速翻轉(zhuǎn)以便轉(zhuǎn)換扇翅方向后仍保持相同的翅攻角，在反扇后較快加速到平扇速度也有利于升力的產(chǎn)生。平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機構(gòu)分析85

由于翅膀處于高頻振動狀態(tài)，為了減小慣性力影響，同時為了最終應(yīng)用撲翼式微型飛行器，運動件的質(zhì)量應(yīng)盡可能小，兩個轉(zhuǎn)動之間應(yīng)存在盡量小的質(zhì)量耦合，而且機構(gòu)的復(fù)雜程度也受到限制。平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機構(gòu)分析862.仿生撲翼機構(gòu)設(shè)計仿生撲翼機構(gòu)的設(shè)計主要可以分為兩個部分。

(1)并聯(lián)的兩組曲柄搖桿機構(gòu)將曲柄輸入的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為兩個搖桿的擺動運動輸出。這兩組連桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)相同，只是曲柄O1A與曲柄O1A

存在一固定的相位差

，所以兩個搖桿的擺動輸出并不同步。電動機轉(zhuǎn)動輸入

擺動輸出1AO1O1O2O2A

BB

擺動輸出2并聯(lián)曲柄搖桿機構(gòu)87

角度差

在不同轉(zhuǎn)角位置時會有不同的取值。如圖所示，電動機旋轉(zhuǎn)時，搖桿O2B

會先到達搖桿運動空間的極限位置，隨后搖桿O2B才到達與其相對應(yīng)的極限位置。在這一過程中，

會逐漸減小到零，然后又會反方向逐漸增大，利用這一特性，將兩個擺動輸出再傳遞到差動輪系。電動機轉(zhuǎn)動輸入

擺動輸出1AO1O1O2O2A

BB

擺動輸出2并聯(lián)曲柄搖桿機構(gòu)88擺動輸出1O3O4行星輪差動輪系原理擺動輸出2O3(2)根據(jù)圖示差動輪系原理，當兩個擺動輸入的

不變時，行星輪隨著行星架繞軸O3轉(zhuǎn)動，自身不轉(zhuǎn)動；當兩個擺動輸入的

變化或者反向運動時，行星輪會繞自身軸線O4轉(zhuǎn)動。89擺動輸出1O3O4行星輪差動輪系原理擺動輸出2O3

將翅膀固定在行星輪上，當曲柄連續(xù)轉(zhuǎn)動，兩個搖桿擺動輸出的

近似不變時，翅膀保持

不變而做平扇運動；當兩個搖桿在極限位置處反向運動時，翅膀則完成反扇轉(zhuǎn)換過程中的翻轉(zhuǎn)運動。通過設(shè)計不同的撲翼機構(gòu)參數(shù)，就可以實現(xiàn)不同的

及

的撲翼形式。90

二、飛行仿生機器人實例

飛行仿生機器人的飛行性能和物理特征與固定翼飛行模式和旋翼飛行模式相比較，撲翼飛行模式在低速條件下的氣動效率最為突出，抗干擾能力也最強，是發(fā)展微小型飛行機器人最理想的飛行模式，但其復(fù)雜的空氣動力學還不完全清楚。微小撲翼機構(gòu)、高效儲能裝置和超輕材料等都是未來發(fā)展的重要方向。微型飛行器不同于普通飛機，它的雷諾數(shù)極小，表面積與體積之比很大，總質(zhì)量嚴格受限。在結(jié)構(gòu)特點、飛行力學、負載特性、能量供給和敏捷性等方面，飛行仿生機器人與蜻蜓、蜜蜂或蜂鳥有些相似，與傳統(tǒng)的飛機有本質(zhì)區(qū)別。91

二、飛行仿生機器人實例

飛行仿生機器人的技術(shù)問題由于微型飛行器的雷諾數(shù)極小，空氣的黏性阻力相對比較大，并且撲翼式飛行器是以模仿鳥和昆蟲類撲翅運動為基礎(chǔ)，但是昆蟲和鳥類的翅膀是平面薄體結(jié)構(gòu)，而非機翼的流線型，需要充分研究這種非傳統(tǒng)空氣動力學和昆蟲翅膀的運動方式，進行提煉和簡化。撲翼飛行器要求外形小、質(zhì)量輕、驅(qū)動元件效率高、能耗少。目前，微型飛行器可用的動力源有：內(nèi)燃發(fā)動機、燃料電池、太陽能、電動機以及微型渦輪發(fā)動機等。從能量轉(zhuǎn)換效率來看，微型內(nèi)燃發(fā)動機的應(yīng)用前景非常廣泛，但是內(nèi)燃發(fā)動機的熱效率只有5%左右，而且還存在噪音大和可靠性方面的問題，還需要通過大量的研究以解決這個關(guān)鍵問題。92

二、飛行仿生機器人實例仿生翼必須輕而堅固，保證在高頻的振動下不會斷裂，能夠提供足夠的升力和推進力，具有很強的靈活性等，這就要求從材料和翼型等方面進行分析。目前已研究出在驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計中，使用壓電陶瓷和化學肌肉等智能材料。在飛行控制和通信方面，目前比較有前景的控制方式是在微型飛行器的表面分布微氣囊和微型智能自適應(yīng)機構(gòu)，通過微流動控制實現(xiàn)對微型飛行器的飛行控制。此外，飛行器必須具備靈敏的通信系統(tǒng)，來傳遞信息和控制飛行器。研制適合的GPS接收機和地面匹配系統(tǒng)是目前較為前沿的通信方式。隨著電子和計算機的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)將更加完善和進步。93

美國空軍拍翅微型飛行器(MAV)小組致力于開發(fā)微型軍用飛行器，以應(yīng)對復(fù)雜的城市作戰(zhàn)環(huán)境。在美國俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地實驗室，工作人員展示了外形像昆蟲的微型飛行器。撲翼微型飛行器94

美國空軍拍翅微型飛行器(MAV)小組致力于開發(fā)微型軍用飛行器，以應(yīng)對復(fù)雜的城市作戰(zhàn)環(huán)境。在美國俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地實驗室，工作人員展示了外形像昆蟲的微型飛行器。撲翼微型飛行器95

南京航空航天大學的博士生研制的可自主控制和導(dǎo)航的“差動式撲翼仿鳥飛行器”。差動式撲翼仿鳥飛行器96機械蜻蜓97機械蜻蜓內(nèi)部結(jié)構(gòu)98SmartBird99SmartBird內(nèi)部結(jié)構(gòu)100蒼蠅機器人101第六節(jié)游動與仿生機構(gòu)的設(shè)計魚類經(jīng)過億萬年的自然選擇與進化，形成了非凡的水中運動能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實現(xiàn)高機動性。目前已研制出的水下仿生機器人中，根據(jù)其所模仿水下生物運動方式，可分為仿魚類的游動仿生機器人、仿多足爬行動物水下機器人和仿蠕蟲水下機器人。一、游動仿生機器人機構(gòu)原理在對魚類推進機理的研究中發(fā)現(xiàn)，魚類在其自身的神經(jīng)信號控制下，可以指揮其體內(nèi)的推進肌產(chǎn)生收縮動作，導(dǎo)致身體的波狀擺動，從而實現(xiàn)其在水中的自由游動。102根據(jù)魚類推進運動的特征，可以劃分為兩種基本推進模式：身體波動式和尾鰭擺動式。游動方向波動方向身體波動式推進模式103根據(jù)魚類推進運動的特征，可以劃分為兩種基本推進模式：身體波動式和尾鰭擺動式。游動方向尾鰭形狀尾鰭擺動式推進模式104在波動式推進中，魚類游動時整個身體(或幾乎整個身體)都參與了大振幅的波動。由于在整個身體長度上至少提供了一個完整的波長，所以使橫向力相抵消，使橫向的運動趨勢降低到最小。波動式推進的推進效率主要與波的傳播速度有關(guān)，波的傳播速度越大，推進效率就越高。波動式推進主要適用于在狹縫中的穿行。游動方向波動方向身體波動式推進模式105尾鰭擺動式推進方式是效率最高的推進模式，海洋中游動速度最快的魚類都采用尾鰭擺動式推進模式。在運動過程中尾鰭擺動，身體僅有小的擺動或波動，甚至保持很大的剛性。游動方向尾鰭形狀尾鰭擺動式推進模式106二、游動仿生機器人實例

美國麻省理工學院的教授根據(jù)“射流推進理論”，1994年成功研制了世界上真正意義的游動仿生機器人－仿生金槍魚(RoboTuna)和仿生梭魚(RoboPike)。機器魚Tuna機器魚Pike107

RoboTuna模仿藍鰭金槍魚而制造，長約4英尺，由2843個零件組成，具有關(guān)節(jié)式鋁合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、網(wǎng)狀泡沫組織，用聚氨基甲酸酯彈性纖維紗表皮包裹，裝有多臺2馬力的無刷直流伺服電動機、軸承及電路等。機器魚Tuna

RoboTuna在多處理器控制下，通過擺動軀體和尾巴，能像真魚一樣游動，速度可達7.2km/h(4節(jié))，RoboTuna的擺動式尾巴有助于機器魚的驅(qū)動，推進效率達91%。108

RoboPike由玻璃纖維制成，上面覆蓋一層鋼絲網(wǎng)，最外面是一層合成彈力纖維，尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成。它的硬件系統(tǒng)主要包括：頭部、胸鰭、尾鰭、主體伺服系統(tǒng)、胸鰭伺服系統(tǒng)、尾部及尾鰭伺服系統(tǒng)以及電池等。

RoboPike采用一臺伺服電動機為其提供動力，驅(qū)動各關(guān)節(jié)以實現(xiàn)軀體擺動。

RoboPike的研制成功，揭示了魚類為什么比我們想象的游得要快的原因，因為魚類看上去不具備使其游得那樣快的肌肉力量，同時證明其具有良好的在靜止狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向和加速能力。機器魚Pike109

2004年12月，北京航空航天大學機器人研究所和中國科學院自動化所合作，成功地研制出了“SPCII”仿生機器魚。這條機器魚主要由動力推進系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號無線傳輸系統(tǒng)、計算機控制平臺3部分組成。機器魚同時裝有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如果啟用該系統(tǒng)，機器魚可以自行按設(shè)定航線行進。機器魚的殼體仿照鯊魚的外形，主要制造材料為玻璃鋼和纖維板，體表是復(fù)合材料。魚體長度1.23m，總重40kg，最大下潛深度5m，最高速度可達1.5m/s，能夠在水下連續(xù)工作2~3小時?！癝PCII”型仿生機器魚110美國密歇根州立大學的科學家開發(fā)出的低能耗機器魚，它幾乎不需要使用能源，可以在水中永遠滑動下去，同時還能收集水質(zhì)的數(shù)據(jù)。這部機器魚的滑動能力來自于新安裝的抽水泵，這個抽水泵會在魚身中吸入并排出水流，從而施展上升或下降的動作。另外，機器的電池組位于機身尾部，尾部會隨著抽吸動作前后移動，讓機器魚可以在希望的路徑上滑行。低能耗機器魚111BIOSwimmer美國國土安全局的科學與技術(shù)部門的科研人員根據(jù)金槍魚的構(gòu)造制造了一只水下監(jiān)控機器魚BIOSwimmer。

BIOSwimmer的背部安裝有一個小型電腦，它主要用于導(dǎo)航、通信以及傳感器的處理工作。另外，在BIOSwimmer內(nèi)部還安裝了一個可轉(zhuǎn)換傳感器，有了這個裝置，該機器魚在水下執(zhí)行任務(wù)的時候則可在此前設(shè)定好數(shù)值的基礎(chǔ)上根據(jù)環(huán)境的變化而做出相應(yīng)的變更。BIOSwimmer將用于一些大型UUV(UnmannedUnderseaVehicle)不能進入的區(qū)域執(zhí)行勘測任務(wù)。112機器魚113水陸兩棲“蠑螈”機器人114五大未來仿生動物機器人1.水母機器人(BionicAquajelly)水母機器人由德國Festo公司所研制生產(chǎn)。它長有觸角，體內(nèi)充滿了氦氣，在空中飄浮時就好像水中浮動的水母一樣。水母機器人的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能